[發明專利]用于原子力顯微鏡的二維微動平臺和微力學參數測試方法

有效

• 申請號: 200810041517.X
• 申請日: 2008-08-08
• 公開（公告）號: CN101339816A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發明（設計）人: 鮑海飛;李昕欣;張波;郭久福
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G12B21/22
• 分類號: G12B21/22;G01N13/16
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種用于原子力顯微鏡的二維微動平臺和微力學參數的測試方法，進行檢測和分析微加工制造的微結構的力學參數，屬于微力學測試分析領域。

背景技術

微機電系統(MEMS)加工制造的各種微小器件均是由微懸臂梁、薄膜等基本結構單元組成，這些微小結構單元能夠感知外界的振動、熱等并將其以電或其它形式的信號傳遞出去。振動和熱等外界作用將導致微結構的形變，形變量的大小決定了器件的靈敏度和量程等參數。因此，為了獲得達到設計需要的參數，加工制造控制工藝至關重要。同時，對微結構尤其是微懸臂梁彈性系數的檢測更是不可缺少，這直接為設計和加工提供極為必要的數據。一般而言，微懸臂梁等結構單元的尺寸從納米到幾百微米長度，制備的微結構具有三維結構特征。對微結構進行基本的力學量檢測是一個重要的研究內容，包括如彈性系數、共振頻率、楊氏模量、疲勞特性等靜態和動態特性參數。微結構的力學性質已經成為微納系統實用化道路上人們最為關注的一個核心內容。目前已有一些設備儀器可以用來表征微結構的力學特性，在各種微分析測試系統中，如利用原子力顯微鏡、納米壓痕儀、光學干涉儀等設備已應用在微結構的力學特性測試中，往往需要設備能夠給出納牛納米尺度分辨的精度。在納米壓痕儀中，設備能夠精確地給出從微牛頓到毫牛頓的力及納米分辨的位移，但在納牛載荷(nN)下精度不高[Holbery?J?D?and?Eden?V?L，Acomparison?of?scanning?microscopy?cantilever?force?constants?determined?using?ananoindentation?testing?apparatus.Journal?of?Micromechanics?andMicroenginering.2000，10：85-92.]。通常的光學檢測方法有較大的視場但只能進行靜態測試而不能主動施加力載荷[O’Mahony?C，Hill?M，Brunet?M，DuaneR?and?Mathewson?A?2003?Characterization?of?micromechanical?structures?usingwhite-light?interferometry?Meas，Sci.Technol.14?1807-14]。目前基于原子力顯微鏡(AFM)的測試方法，能夠給出納牛頓納米尺度分辨的精度。利用其能夠精確給出的位移和共振頻率等參數，并利用已知的懸臂梁結構參數等，就可得到懸臂梁等結構的彈性系數[Comella?B?T，Scanlon?M?R，The?determination?ofthe?elastic?modulus?of?microcantilever?beams?using?atomic?force?microscopy，Journal?of?Materials?Science，2000，35：567-572]。

原子力顯微鏡是目前較為廣泛使用的一種用于表面結構參數的檢測設備，具有很高的橫向和縱向位移分辨率，縱向分辨率可以達到0.01nm；通過Z軸垂直方向的驅動機構壓電陶瓷PZT(PbZrTiO₃，鋯鈦酸鉛陶瓷)掃描管可以施加給掃描探針微小的力載荷。當被測試的微結構放置在平臺上，置于掃描探針下時，就可以通過其中的探針和微結構接觸的彈性形變測量相應的力學量。原子力顯微鏡是微納米尺度科學研究中具有較高力和位移分辨的儀器，科研人員一直都在使用其中的某些功能用來測試，但是不能夠直接有效地進行表征和綜合分析，不能自動提取力學參數。因此，需要專用的測試設備和相應的專用測試分析軟件控制系統。